辽河盘锦段控制单元水质分析与评价

2021-03-19田诗阳晁雷周修坤王留锁李亚峰

环境保护与循环经济 2021年1期

田诗阳晁雷 * 周修坤王留锁李亚峰

（1. 沈阳建筑大学环境学院，辽宁沈阳 110168；2. 盘锦市绿色发展服务中心，辽宁盘锦 124000；3. 辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁沈阳 110161）

1 引言

近年来，如何改善水污染现状成为一个亟待解决的问题。尽管我国水污染防治措施越来越完善，但我国水环境污染问题仍旧表现为局部有所改善、总体尚未遏制、压力继续加大、形势依然严峻的特征［1］。

目前，水质评价方法普遍应用于国内外河流研究，其中被应用较多的有单因子评价法、水质指数法［2］、主成分分析法［3-4］、模糊数学评价法［5］、层次分析法［6-7］等。单因子评价法是我国《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中规定的评价方法，即以水质最差单项指标所属的类别来确定水体综合水质类别［8］。水质指数法使用简单，评价结果直观精确，能较为完整地反映地表水的污染程度，在国内外应用广泛［9］。

本文研究辽河盘锦段各控制单元水环境状况，根据辽河盘锦段污染来源复杂、河道交错纵横等特点，将辽河盘锦段划分为5 个控制单元，在每个控制单元内选取监测断面，共6 个控制断面，对辽河盘锦段水环境状况进行监测。通过分析监测数据，分别使用单因子评价法和内梅罗综合污染指数法对辽河盘锦段水环境现状进行评价，对比2 种评价方法，选出适合辽河盘锦段的水质评价方法。

2 研究区概况

盘锦市是辽宁省下辖地级市，位于辽宁省西南部，素有“九河下梢”之称，区域内河道较多，渠道纵横交错［10］。盘锦市地处辽河三角洲中心地带，是辽河入海口城市。地理坐标处在121°25′～122°31′E，40°39′～41°27′N 之间。盘锦市辖1 个县3 个区，即盘山县、双台子区、兴隆台区、大洼区。

3 水质监测实验方案设计

3.1 监测断面选取

根据辽宁省“水十条”控制单元及考核断面图将盘锦市划分为5 个控制单元，分别为辽河曙光大桥控制单元、辽河赵圈河控制单元、绕阳河盘锦市控制单元、辽河兴安控制单元和大辽河盘锦市辽河公园控制单元。

控制单元内对应的监测断面以及相应的考核标准见表1。

表1 控制单元内对应的监测断面考核标准

3.2 水样采集与分析方法

对辽河盘锦段5 个控制单元内的6 个控制断面进行采样监测。2019 年1 月至12 月期间，每月收集一次水样。水样收集选用GPS 定位，确保每次采样点尽量同等。采集水样时根据河流深度确定采集水样深度，当河流水深在1 m 以下时，在水面下1/2 处取样；当河流水深超过1.5 m 时，在水面下0.5 m 深度处采集水样。

水质分析按《水和废水监测分析方法》（第4 版）进行，采用稀释接种法测定五日生化需氧量（BOD5）、纳氏试剂光度法测定氨氮（NH4+-N）、钼酸盐光度法测定总磷（TP）、酸性法测定高锰酸盐指数（CODMn）、重铬酸钾法测定化学需氧量（CODCr）。

3.3 水质评价方法

3.3.1 单因子评价法

单因子评价法是最为直接、简单明了的水质评价方法，该方法只需将各项实测水质参数的浓度值与评价标准进行逐项对比，以单项评价最差项目的水质类别作为待评价水样的水质类别［11］，这就对评价指标的选择和尺度提出了更高的标准。该方法的表达式如下：

式中，Q 为单因子评价水质综合级别；Qi为评价参数i 的水质级别；Max 为取i 项水质参数中评价出的水质最差的一项。

3.3.2 内梅罗综合污染指数法

水质评价方法对水质评价结果起到至关重要的作用，选择评价方法的合理性直接决定水质评价结果的可靠性［12］。因此，本研究选用内梅罗综合污染指数法作为评价方法。目前，内梅罗综合污染指数法是国内外普遍使用的水质评价方法之一，其评价等级［13］见表2。

表2 内梅罗综合污染指数法等级划分标准

内梅罗综合污染指数法表达式为：

式中，Ci为某监测指标实测浓度；Pi为各单项水质参数评分值；Si为对应监测指标的标准限值；PiAve为各单项水质参数评分值Pi的平均值；PiMax为各单项水质参数评分值Pi的最大值；n 为水质参数项数。

本文采取的指标上下限临界值均为国家标准规定的范围。

4 实验数据分析

4.1 水质描述性统计分析

根据盘锦市控制单元划分，本文分别对5 个控制单元进行了水质特征描述性统计分析。

表3 为2019 年曙光大桥控制单元水质描述性统计。

表3 2019 年曙光大桥控制单元水质描述性统计

在2019 年曙光大桥控制单元水样中，高锰酸盐指数浓度的变化范围为3.20～21.70 mg/L，平均值为8.55 mg/L；五日生化需氧量浓度的变化范围为2.20～14.20 mg/L，平均值为5.25 mg/L；氨氮浓度的变化范围为0.07～3.65 mg/L，平均值为0.95 mg/L；化学需氧量浓度的变化范围为17.00～67.00 mg/L，平均值为35.55 mg/L；总磷浓度的变化范围为0.07～0.33 mg/L，平均值为0.20 mg/L。由化学需氧量浓度可以看出，水体可能受有机物或还原性物质污染。

表4 为2019 年赵圈河控制单元水质描述性统计。

表4 2019 年赵圈河控制单元水质描述性统计

在2019 年赵圈河控制单元水样中，高锰酸盐指数浓度的变化范围为4.00～8.90 mg/L，平均值为6.33 mg/L；五日生化需氧量浓度的变化范围为1.40～5.40 mg/L，平均值为3.08 mg/L；氨氮浓度的变化范围为0.03～1.21 mg/L，平均值为0.32 mg/L；化学需氧量浓度的变化范围为24.00～37.00 mg/L，平均值为29.50 mg/L；总磷浓度的变化范围为0.09～0.28 mg/L，平均值为0.16 mg/L。

表5 为2019 年绕阳河控制单元水质描述性统计。

表5 2019 年绕阳河控制单元水质描述性统计

在2019 年绕阳河控制单元水样中，高锰酸盐指数浓度的变化范围为4.90～16.30 mg/L，平均值为8.80 mg/L；五日生化需氧量浓度的变化范围为3.60～8.50 mg/L，平均值为6.14 mg/L；氨氮浓度的变化范围为0.07～1.97 mg/L，平均值为0.68 mg/L；化学需氧量浓度的变化范围为30.00～58.00 mg/L，平均值为40.00 mg/L；总磷浓度的变化范围为0.11～0.58 mg/L，平均值为0.23 mg/L。由五日生化需氧量和化学需氧量浓度可以看出，水体可能受有机物或还原性物质污染。

表6 为2019 年兴安控制单元水质描述性统计。

表6 2019 年兴安控制单元水质描述性统计

在2019 年兴安控制单元水样中，高锰酸盐指数浓度的变化范围为3.50～14.90 mg/L，平均值为7.89 mg/L；五日生化需氧量浓度的变化范围为2.60～15.60 mg/L，平均值为5.98 mg/L；氨氮浓度的变化范围为0.02～1.94 mg/L，平均值为0.39 mg/L；化学需氧量浓度的变化范围为14.00～49.00 mg/L，平均值为29.09 mg/L；总磷浓度的变化范围为0.06～0.68 mg/L，平均值为0.20 mg/L。

表7 为2019 年辽河公园控制单元水质描述性统计。

表7 2019 年辽河公园控制单元水质描述性统计

在2019 年辽河公园控制单元水样中，高锰酸盐指数浓度的变化范围为3.40～9.80 mg/L，平均值为5.07 mg/L；五日生化需氧量浓度的变化范围为0.60～4.80 mg/L，平均值为2.95 mg/L；氨氮浓度的变化范围为0.02～4.02 mg/L，平均值为1.11 mg/L；化学需氧量浓度的变化范围为14.00～48.00 mg/L，平均值为22.46 mg/L；总磷浓度的变化范围为0.03～0.31 mg/L，平均值为0.19 mg/L。

4.2 水环境质量评价

4.2.1 单因子评价法

《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中规定，“地表水环境质量评价应根据应实现的水域功能类别，选取相应类别标准，进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项目和超标倍数”［14］。基于2019 年断面水质监测数据，结合盘锦市地表水环境质量达标现状，选取曙光大桥断面、赵圈河断面、万金滩断面、兴安断面、辽河公园断面和三岔河断面，采用单因子评价法开展水质评价，评价因子为高锰酸盐指数、五日生化需氧量、化学需氧量、氨氮和总磷，评价结果见表8。

表8 2019 年盘锦市控制单元监测断面水质评价结果

曙光大桥断面考核标准为地表水Ⅳ类。2019 年曙光大桥断面水质为Ⅴ类，其中，除化学需氧量外均符合Ⅳ类水标准。超标因子为化学需氧量，主要原因为盘锦市水稻种植业发达，夏季农田退水未经处理排入地表水体，以及曙光大桥上游城市（工业）污水处理厂排水体量巨大，至曙光大桥断面时未充分稀释、净化。

赵圈河断面考核标准为地表水Ⅳ类。2019 年赵圈河断面符合Ⅳ类水标准。赵圈河断面仅有2019 年4 月和6 月单月化学需氧量未达到Ⅳ类水标准。

万金滩断面考核标准为地表水Ⅳ类。2019 年万金滩断面水质为Ⅴ类，超标因子主要为五日生化需氧量和化学需氧量。

兴安断面考核标准为地表水Ⅳ类。2019 年兴安断面达到Ⅳ类水标准。

辽河公园断面考核标准为地表水Ⅴ类。2019 年辽河公园断面达到Ⅴ类水标准。

三岔河断面考核标准为地表水Ⅴ类。2019 年三岔河断面达到Ⅴ类水标准。

4.2.2 内梅罗综合污染指数法

基于2019 年断面水质监测数据，结合盘锦市地表水环境质量达标现状，选取6 个控制断面，采用内梅罗综合污染指数法进行水质评价，评价因子为高锰酸盐指数、五日生化需氧量、化学需氧量、氨氮和总磷，评价结果见表9。

表9 2019 年盘锦市控制单元监测断面内梅罗综合污染指数及水质等级统计

曙光大桥断面高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷均有不同程度的超标，其中化学需氧量超标率最高，达到54.55%，污染指数值（Pi）最大值为2.23，平均值为1.18。此外，该断面的高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷超标率分别为22.27%，33.33%，25.00%，16.67%。

赵圈河断面仅有化学需氧量存在超标情况，超标率为33.33%。该断面化学需氧量的污染指数值最大值为1.23，平均值为0.98。

万金滩断面高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷均有不同程度的超标，超标率分别为8.33%，41.67%，8.33%，75.00%，9.09%，其中化学需氧量超标率最高。万金滩内梅罗综合污染指数为1.14，达到轻度污染级别。

兴安断面高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷均有不同程度的超标，其中，高锰酸盐指数、五日生化需氧量、化学需氧量超标率分别为27.27%，36.36%，36.36%。兴安断面高锰酸盐指数的污染指数值最大值为1.49，平均值为0.79；五日生化需氧量的污染指数值最大值为2.60，平均值为1.00；化学需氧量的污染指数值最大值为1.63，平均值为0.97。此外，该断面的氨氮、总磷超标率分别为9.09%，20.00%，其中，总磷的污染指数值最大值为2.27，但平均值仅为0.67，对评价结果的影响甚微。

辽河公园断面所有数据均符合Ⅴ类水标准，不存在超标问题，无污染情况。

三岔河断面仅有氨氮和化学需氧量存在超标情况，超标率分别为25.00%和8.33%。

4.2.3 2 种评价方法比较

单因子评价法与内梅罗综合污染指数法的评价结果存在轻微差异，见表10。由于单因子评价法以最差水质判定水体类别，存在过保护问题，并且单因子评价法只能对水体类别定性判断，不能对相同水质进行优劣比较，而内梅罗综合污染指数法能够解决以上2 个问题，故本文最终采用内梅罗综合污染指数法的结果作为最终评价结果。